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浅析UV固化油墨的影响因素及其发展趋势

《广东印刷》2011年第2期 作者:董淑雯 更新日期:2011-06-17

印刷油墨一直期望发展低污染、高速、高效的固化方法。UV固化技术与传统方法相比有许多显著优点.如固化速度快,无挥发性有机溶剂,节约场地,印刷质量好等。特别是无污染,属绿色技术。因此它是印刷油墨发展的方向。这一技术也在涂料、粘合剂等方面得到广泛的应用。
一、UV固化油墨的组成
UV固化油墨由光活性低聚物(Oligomer)、光引发剂(Photoinitiator,PI)、活性单体(活性稀释剂)、着色剂(颜料)以及其它必要的助剂组成。利用光波能量,引发交联产生物理化学反应从而达到干燥目的。与传统油墨相比,UV光固油墨在使用上有着很大的区别。
颜料:赋予油墨合适的色泽和色强度。
低聚物:初始状态下不但保证颜料的良好润湿性,而且会使其有良好的流动性、印刷特性和成膜性。
活性稀释剂:调整油墨的黏度、附着力和固化速度。
光引发剂:结合应用条件选择一种具有有效固化反应的光引发剂。
添加剂:在油墨配方中使用许多种类的添加剂来调控油墨的不同性质,如雾化、形态、湿度和消泡。
表1 UV印刷油墨常用的低聚物
二、UV固化油墨的机理
在UV固化油墨喷到承印材料上后,在紫外光的辐射下,单体1和低聚物2立即聚合成3在瞬间导致液体油墨液滴在印刷材料上固化。UV光并没有足够的能量来启动聚合过程,固化在油墨配方中添加了光引发剂。这些化合物生成了自由基4,这是开始聚合过程所必要的。
UV固化油墨经紫外光照射后,由液态转化为固态一般可分为4个阶段:
①光与光引发剂之间的相互作用,它可能包括对光的吸收或光敏剂与光引发剂之间的相互作用;
②光引发剂分子化学重排,形成自由基中间体;
③自由基与预聚物和单体中的不饱和基团作用,引发链式聚合反应;聚合反应继续,液态组分转变为固态聚合物;
④游离基链式聚合反应继续,使液态成分变成固态聚合物。
三、影响UV固化油墨的重要因素
1.光致引发剂
光致引发剂是起动和完成UV固化过程的关键组分。它们吸收来自于聚集在印刷表面的UV能。UV能使光致引发剂分裂成活性的物质,接下来开始进行称之为聚合反应的化学反应。此聚合反应将液态的油墨转变为固态的膜。有两种光致引发剂常用在网版印刷油墨中,自由基光致引发剂和阳离子光致引发剂。
UV光没有足够的能与涂料中的活性分子起反应而形成自由基,因此,把自由基光致引发剂添加于油墨之中。当光致引发剂分子暴露于UV光的某一特殊波长时,它们吸收UV光并生成引起交联过程的自由基。自由基光致引发剂是最为常用的,在90%以上的UV网版印刷油墨中使用。
用阳离子光致引发剂配制的UV油墨一般含有与自由基光致引发剂配制的油墨不同的单体和低聚物。但真正使这些油墨有所区分的是光致引发剂反应的方式。阳离子光致引发剂一般为芳香基硫盐,它在暴露于UV光的情况下生成酸催化剂。它不像自由基化学品那样,阳离子反应在移去UV光之后会继续进行。阳离子光致引发剂存在于网版印刷厂家使用的大约5%~8%的UV油墨之中。
自由基引发剂具有固化速度快.性能易于调节的优点,但存在收缩严重、氧气阻聚、附着力差等问题。
阳离子引发剂具有体积收缩小、附着力强、耐磨、硬度高、不受氧气阻聚、有后固化等优点。但它也有固化速度慢、低聚物和活性稀释剂种类少、价格高、固化产物性能不易调节等缺点,从而限制了其实际应用。
然而自由基和阳离子混杂引发剂可以充分发挥两者的优点。关于自由基和阳离子混杂引发剂包含两类:一类是由不饱和丙烯酸酯与环氧树脂组成的混杂体系;另一类是由不饱和丙烯酸酯与乙烯基醚类化合物组成的混杂体系。
表2 UV印刷油墨常用的光引发剂
2.活性稀释剂
UV固化涂料常用活性稀释剂,它们是UV固化配方极为重要的组成部分,因为它们不仅调节粘度,而且是膜物质,对涂层的最终性能有显著影响。
活性稀释剂至少含有一个游离基与预聚物共聚的双键。活性稀释剂大多数情况下与不饱和低聚物是彼此连用的。活性稀释剂是单官能度或多官能度丙烯酸酯,用以调节涂料的粘度和官能度。并可调节涂膜的柔韧性、硬度、强韧性和附着力。由于低分子单体挥发性大、毒性较强,所以使用丙烯酸和多元醇的酯类。
活性稀释剂之所以很重要,除了因为它们对粘度和成膜物有影响外,还有下列原因:
①它们与光引发剂体系都是决定体系固化速度的主要因素。
②它们把高分子量的预聚物分子连结在一起,而且依靠它们的官能度,通常对加速完全固化有显著贡献。双官能活性稀释剂一样,很容易形成交联网络。
③它们增进或改善固化涂层的性能。预聚物用量相同时,不同的稀释剂产生不同性能和不同固化速度。
表3 UV印刷油墨常用的活化稀释剂
3.颜料
油墨为有色体系,在配制时必须添加颜料,在UV固化油墨中,由于添加的颜料吸收紫外线,使引发剂对紫外光的吸收量减少,造成颜料对引发剂的“屏蔽”,降低了引发效率。为解决这一矛盾,必须对颜料的紫外光谱进行分析,再与引发剂的紫外吸收进行对比,找出“光谱窗口”。因此,了解颜料的光谱窗,对于选择适宜的光引发剂是十分重要的。原则上,应选择在颜料的光谱窗范围内具有很好吸收性的光引发剂。这一点,对提高有色油墨体系的紫外光固化速度是十分重要的。
由于颜料对紫外光的吸收作用,影响了光引发剂的光引发效率,因此颜料含量对UV油墨的固化速度有着很大的影响。
表4 部分颜料的紫外线透过率(%)
注:颜料层度0.92um
四、UV固化油墨的优点及需完善的地方
UV固化油墨的优点:印刷速度高;承印材料范围宽;颜色一致;符合环保;低气味;节省成本。
需完善的地方:当前,颜料润湿性、固化速度和附着力是需要改进的一个方面。
在平印油墨中,要达到有较好的水墨平衡、光亮度和流动性,改进颜料润湿性是必需的;对于柔印油墨,因为油墨中颜料填料的增加,改进颜料润湿性就尤为重要。而在生产中为防止絮凝,首要和相应的问题仍然是润湿性。在这两种油墨体系中,随着润湿性变得更好使流动性也得以改善。
颜料润湿性的另一方面表现在生产费用上,研磨是一个耗资的操作过程,而且必须控制在低温下以防止胶凝。为了提高产率,人们已在考虑在某些连续化操作中用球磨机代替传统的三辊轧制机。润湿性越好,研磨性和分散性就越好。
固化速度在最初的应用中,油墨的固化是有效的。目前,对其要求越来越高,新的印刷工艺要有性能良好的内置灯,并且用于油墨体系的光引发剂价格也是有限制的。如平版印制油墨在纸页上能耐受400m/min或l5000印次/h的速度,柔印工艺也有较高要求,如标签印刷需要的速度已超过150m/min。
附着力面对UV固化油墨产品性能改进的发展要求,在颜料润湿性、固化速度和附着力这些研究领域,一些有助于达到更高标准要求的有价值的新产品正在不断被推出。
五、UV固化油墨的发展趋势
考察UV油墨的性质,其特征十分明显。如印制品快干,易于连续性操怍,生产过程能耗低,不污染环境,印刷品光亮度、色泽强度、持久性良好,可用于罩光清漆和热压箔,UV油墨的瞬时干燥性质使得其被用于卷筒印刷以及容许的瞬时过程。
实际上在某些领域,尤其从环境和性能两个方面考虑,UV油墨更具优势.UV油墨现在许多印刷领域占据着主导地位,如标签印刷、包装印刷和纸箱印刷。
随着用于油墨生产原材料方面的最新进展,未来UV固化产品会把我们带向没有尽头的地方。在早期,基本的UV油墨是随着各种用以提高功能性的添加剂一同出售的。印刷从业人员迫不得已地扮演着化学工作者的角色以获得适宜的油墨性能。而如今,油墨供应厂家正根据客户的需求把更多的技术融入到油墨之中并开发新产品。原材料供应厂家现在有望根据油墨配制厂家的要求来开发产品,而不像开始阶段那样,那个时候油墨供应厂家只能使用有限几种油墨组分。
油墨供应厂家之间的竞争迫使它们寻求新的富有创意的方法来改进油墨的性能,以及找到新的应用领域,以能够从UV网版印刷中得到好处,总的来说,由于开发出新的UV油墨,UV网版印刷市场发展速度惊人,又由于原材料供应厂家和油墨制造厂家为研制产品和制订新的性能标准而协同工作,所以这一趋势会继续下去。